Операция готовилась в ходе битвы за Москву и началась без оперативной паузы.
В начале января 1942 г. главные силы немецкой группы армий «Центр» (генерал-фельдмаршал Г. Клюге; около 625 тысяч человек, около 11 тысяч орудий и минометов, 354 танка) при поддержке авиации 2-го воздушного флота (350 самолётов) оборонялись на рубеже Селижарово, севернее и восточнее Ржева, западнее Волоколамска, южнее Юхнова, восточнее Мосальска, севернее и восточнее Сухиничей. Противник превратил населённые пункты в узлы сопротивления, заминировал дороги, устроил завалы в лесах.
Охватывающее положение по отношению к нему занимали войска Калининского (генерал-полковник И.С. Конев) и Западного (генерал армии Г.К. Жуков) фронтов — всего свыше 688 тысяч человек, 10,9 тысячи орудий и миномётов, 474 танка и САУ. В ходе операции их силы и средства были значительно пополнены.
Замыслом операции предусматривалось ударами войск правого крыла Калининского фронта из района северо-западнее Ржева на Сычёвку, Вязьму и левого крыла Западного фронта из района Калуги на Юхнов и Вязьму с одновременным наступлением остальных армий Западного фронта на Сычёвку и Гжатск окружить, расчленить и уничтожить противника. Для завершения его окружения предусматривалась высадка 4-го воздушно-десантного корпуса юго-западнее Вязьмы с задачей перерезать вражеские коммуникации между Вязьмой и Дорогобужем и воспретить отход его частей на запад, Операция проводилась во взаимодействии с соседними фронтами. Северо-Западному фронту (генерал-лейтенант П.А. Курочкин) предстояло наступать армиями левого крыла из района Осташкова на Торопец, Велиж, Рудню; Брянский фронт (генерал-полковник Я.Т. Черевиченко) должен был активными действиями сковать немецкие войска на брянском и орловском направлениях.
8 января перешли в наступление войска 39-й армии (генерал-лейтенант И.И. Масленников), прорвали оборону противника и устремились на юг. 12 января в образовавшийся прорыв в сражение были введены 29-я армия (генерал-майор В.И. Швецов) и 11-й кавалерийский корпус. 29-я армия обошла Ржев с запада и завязала бои на западных подступах к городу. 39-я армия в середине января вышла в район Сычёвки и, встретив упорное сопротивление противника, в течение второй половины января вела здесь напряжённые бои фронтом на вос-Бои на подступах к Ржеву. 11-й кавалерийский корпус 26 января вышел к автомагистрали в 12 км западнее Вязьмы, но был отброшен врагом от нее на север и занял оборону. 30-я армия (генерал-майор Д.Д. Лелюшенко) и 31-я армия (генерал-майор В.А. Юшкевич) нанесли улары на Ржев с севера и северо-востока и к исходу января продвинулись в юго-западном направлении на 10—30 км.
9 января начали наступление войска левого крыла Северо-Западного фронта: 3-я (генерал-лейтенант М.А. Пуркаев) и 4-я (генерал-полковник А.И. Ерёменко) ударные армии прорвали слабую оборону противника и устремились на Холм и Торопец. 22-я армия (генерал-майор В.И. Вострухов). используя их успех, 15 января перешла в наступление из района Селижарово в общем направлении на г. Белый. К концу января её войска вышли к городу, глубоко охватили с запада группировку немецких войск в районе Оленино. 23 января противник ударами из района Ржева на запад и из района Оленино на восток закрыл брешь, пробитую советскими войсками, разрезал Калининский фронт на две части. К концу января войска фронта, в состав которого 22 января были переданы 3-я и 4-я ударные армии, вышли на подступы к Витебску, Смоленску, Ярцево, глубоко охватив группу армий «Центр» с северо-запада, прорвались на северные подступы к Вязьме и окружили в районе Оленино около семи дивизий противника.
Одновременно с наступлением Калининского фронта войска правого крыла Западного фронта — 1-я ударная (генерал-лейтенант В.И. Кузнецов), 20-я (генерал-лейтенант А.А. Власов), 16-я (генерал-лейтенант К.К. Рокоссовский), 5-я (генерал-лейтенант артиллерии Л.А. Говоров) и 33-я (генерал-лейтенант М.Г. Ефремов) армии — в период 10—15 января прорвали оборону противника на реках Руза и Лама, вынудили его начать отвод 3-й и 4-й танковых армий на подготовленный рубеж Погорелое Городище, Дурыкино, Шанский завод. Советские войска перешли к преследованию врага и освободили Лотошино (16 января), Шаховскую, Рузу (17 января), Верею (19 января), Можайск (20 января). Это позволило повернуть 33-ю армию на юго-запад для удара с севера по группировке противника, оборонявшейся западнее Медыни.
20 января Ставка ВГК вывела в свой резерв 1-ю ударную армию, а по приказу Жукова управление 16-й армии, передавшей 5-й армии свои соединения и участок, с армейскими частями переброшено в район Сухиничей, что в значительной мере ослабило силы правого крыла фронта. К 25 января его армии вышли к заранее подготовленному противником гжатскому оборонительному рубежу, где были остановлены упорным сопротивлением врага на длительное время.
Войска левого крьгла Западного фронта — 43-я (генерал-майор К.Д. Голубев), 49-я (генерал-лейтенант И.Г. Захаркин). 50-я (генерал-лейтенант И.В. Болдин) и 10-я (генерал-лейтенант Ф.И. Голиков) армии и 1-й гвардейский кавалерийский корпус (входил в состав оперативной группы генерал-лейтенанта П.А. Белова) — в первой декаде января с боями продвигались на запад. К 10 января советские войска вышли на рубеж Тихонова Пустынь, Киров. Людиново, Жиздра, охватив с юга группировку противника в районе Юхнова. 12 января немецкий 24-й механизированный корпус из района Жиздры нанёс контрудар по 10-й армии в северном направлении и 26 января вышел в район Сухиничей, где был остановлен соединениями левого фланга 10-й армии. Войска 43-й и 49-й армий продвигались к Медыни. 19 января они охватили с севера и востока юхновскую группировку врага. Для содействия наступлению на юхновско-вяземском направлении с 18 января по 24 февраля юго-восточнее, южнее и западнее Вязьмы были высажены воздушные десанты. 20 января 33-я армия, используя 12-км разрыв в боевых порядках противника, развернула наступление на Вязьму. К утру 2 февраля на его южные подступы пробились и соединения 1-го гвардейского кавалерийского корпуса.
Немецкое командование, стремясь не допустить разгрома группы армий «Центр», спешно перебросило из Западной Европы 12 дивизий и 2 бригады и нанесло ряд сильных контрударов. 2—3 февраля вражеские войска перерезали коммуникации 33-й армии и 1-го гвардейского кавалерийского корпуса севернее и южнее Юхнова. После 2 февраля советские войска, понёсшие большие потери, ощущавшие недостаток боеприпасов и горючего, в значительной мере утратили наступательный потенциал и в условиях усиления вражеской группировки не смогли продолжать наступление.
В феврале — марте войска Калининского и Западного фронтов предприняли безуспешные попытки прорвать оборону врага и соединиться со своими окружёнными группировками. В начале марта 43, 49-я и 50-я армии разгромили юхновскую группировку противника и 5 марта освободили Юхнов, но восстановить связь с окружёнными юго-западнее Вязьмы войсками 33-й армии, 1-го гвардейского кавалерийского и 4-го воздушно-десантного корпусов не смогли. До 20 апреля продолжались безуспешные попытки завершить окружение главных сил группы армий «Центр». За это время противник деблокировал окружённую в районе Оленино группировку своих войск, уничтожил основные силы блокированной им 29-й армии и нанёс существенный урон окружённым под Вязьмой войскам. 20 апреля Ставка ВГК приказала Калининскому и Западному фронтам перейти к обороне на достигнутых рубежах, а окружённым войскам разрешила выходить на соединение с главными силами. Сохранившиеся силы 1-го гвардейского кавалерийского и 4-го воздушно-десантного корпусов вышли из окружения к 20 июня 1942 г., остатки 33-й армии были разбиты противником, в этих боях героически погиб и её командующий генерал-лейтенант М.Г. Ефремов.
В результате Ржевско-Вяземской операции советские войска нанесли серьёзное поражение противнику и отбросили его на запад на 80—250 км, полностью освободили Московскую и Тульскую области, часть Калининской и Смоленской областей. Глубоко охватив группу армий «Центр» с двух сторон, советские войска поставили её в невыгодное оперативное положение. В ходе операции утратили боеспособность 16 дивизийи 1 бригада противника, только в январе — марте 1942 г. его войска потеряли более 330 тысяч человек. Вместе с тем не удалось окружить и уничтожить главные силы ржевско-вяземской группировки противника. Это было обусловлено переоценкой советским командованием наступательного потенциала своих войск (после месячного контрнаступления они нуждались в отдыхе и пополнении) и недооценкой возможностей противника, его способности быстро усилить группировку за счёт стратегических резервов. Вследствие недостатка сил и средств в оперативном построении фронтов темпы наступления были низкими (1—2 км в сутки), отсутствовали сильные эшелоны развития успеха. Неустойчивое взаимодействие войск фронтов позволяло противнику последовательно отражать их удары, маневрируя силами вдоль фронта. Потери войск Калининского и Западного фронтов составили: безвозвратные — свыше 272 тысяч человек, санитарные — свыше 504,5 тысячи человек.
